Гелиоэнергетика - альтернативный способ получения энергии
Основные достоинства альтернативных самовозобновляемых источников энергии. Зоны использования ветроэнергетики. Оценка целесообразности применения гелиоэнергетики в России. Принцип работы теплового коллектора, типы фотоэлементов и солнечных батарей.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.11.2021 |
| Размер файла | 1,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Пензенский государственный университет
Факультет информационных технологий и электроники
Гелиоэнергетика - альтернативный способ получения энергии
Каткова К.А., студент, 5 курс,
Россия, г. Пенза
Аннотация
Данная работа является кратким обзором на источники альтернативной энергии. Статья знакомит с исследованием работы солнечной панели и солнечного коллектора, а также с их применением в различных сферах деятельности.
Ключевые слова: альтернативные источники энергии, солнечная энергетика, солнечные панели, солнечные коллекторы.
Annotation
This work is a brief overview of alternative energy sources. The article introduces the study of the operation of a solar panel and solar collector, as well as their application in various fields of activity.
Key words: alternative energy sources, solar energy, solar panels, solar collectors.
Альтернативная энергетика является перспективным способом генерации энергии и имеет ряд достоинств в сравнении с традиционным. Человечество начало использовать возобновляемые источники энергии намного раньше, чем добывать уголь, газ и нефть, но за все время потребления ископаемого топлива его ресурсы начали иссякать и люди вновь задумались об использовании альтернативных источников энергии.
Основные достоинства таких источников заключаются в наибольшей выгоде их использования, так как большинство являются возобновляемыми, при этом достаточно сильно снижается риск причинения вреда окружающей среде и здоровью населения. [1] В настоящее время различают несколько основных видов нетрадиционной энергетики:
1. Ветроэнергетика: Основные ветровые зоны России - южные степи, морские побережья и отдельные зоны (Алтай, Карелия, Байкал). Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осень и зиму. Ветроэнергетика используется преимущественно в сельской местности, где доступ к основным источникам энергии ограничен. [2]
2. Солнечная или гелиоэнергетика: Данный вид основан на преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию. Является экологически чистым видом, не выделяет вредных отходов, достаточно выгоден в финансовом плане. В России целесообразно применение солнечных электростанций не только в южных регионах, но и в некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока, так как в них уровень солнечной радиации может достигать уровня южных регионов, а порой даже превосходить. [2]
3. Приливная энергетика: Основана на использовании достаточно сильных и постоянных морских приливов. Для России строительство приливных электростанций нецелесообразно, так как к примеру разность уровней воды при приливах и отливах на Чёрном море минимальна. [3]
4. Геотермальная энергетика: Данное направление основано на использовании тепловой энергии недр Земли (например, гейзеров). Уровень выбросов для современных геотермальных электростанций (ГеоЭС) умеренный, что много меньше по сравнению с уровнем выбросов при переработке ископаемого топлива. На сегодняшний день в России насчитывается менее 10 ГеоЭС и большинство из них расположены на полуострове Камчатка и на острове Кунашир (южный остров Большой гряды Курильских островов).
5. Водородная энергетика: В настоящее время технологии производства водорода не доведены до совершенства и энергии, необходимой для обработки, затрачивается больше, чем удается получить из водорода. Следовательно, считать водород источником энергии пока нельзя. [3]
6. Ядерная энергетика: В России на данный момент существует порядка 10 действующих атомных электростанций (АЭС). Многие из них были построены ещё во времена СССР, а затем дополнялись новыми реакторами. [4]
Большинство АЭС располагаются в европейской части России. В перспективе предполагается разработка АЭС на быстрых нейтронах. [5]
Рассмотрим более доступное, неисчерпаемое, экологически безопасное и самое дешевое направление альтернативной энергетики - гелиоэнергетика. Она представляет собой один из самых перспективных видов возобновляемой энергетики, основанный на преобразовании энергии солнечного излучения с целью получения энергии для отопления, электроснабжения и горячего водоснабжения. [6]
Солнечная энергетика имеет огромное количество преимуществ, однако есть и недостатки:
1. Количество солнечной энергии огромно, но оно неконтролируемо рассеивается по поверхности Земли. В связи с этим требуются панели с большей площадью поверхности;
2. Для накапливания и хранения энергии необходимы дорогие системы - аккумуляторы;
3. Нецелесообразность использования в пасмурную погоду и в ночное время суток;
4. Сложность изготовления и перевозки аппаратуры. [7]
Устройства, поглощающие солнечные лучи, делятся на два типа в зависимости от выходного параметра:
1. Фотоэлектрические (солнечные фотоэлектрические преобразователи, или солнечные батареи) - устройства, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию;
2. Фототермические (солнечные коллекторы) - устройства для сбора тепловой энергии Солнца. Производят нагрев материала - теплоносителя.
В первом случае солнечное излучение попадает на фотоэлемент, который состоит из двух пластинок кремния разной проводимости. Падающий свет выбивает электроны из верхней пластинки на нижнюю, образуя фото - ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.
Различают несколько типов солнечных элементов относительно организации атомов кремния в кристалле:
1. Монокристаллический (КПД 12-15%). Для этого типа кристаллы кремния искусственно выращиваются, соответственно р-слой получается гораздо чище, чем у поликристаллов, из-за этого повышается КПД.
2. Поликристаллический (КПД 11-14%). Поликристаллы получают в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния, данный метод достаточно прост и такие фотоэлементы стоят дешевле.
3. Аморфный (КПД 6-7%). Позволяет создать гибкую нехрупкую солнечную панель, что расширяет сферу их использования.
Верхняя пластинка, обращенная к Солнцу, изготовляется из кремния с добавлением фосфора. Именно фосфор служит источником избыточных электронов в системе p-n-перехода. Внешнее отличие фотоэлементов с поли- и монокристаллами заключается в том, что поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Монокристаллические фотоэлектрические преобразователи выполняются в виде квадратов со срезанными углами (рис.1). [8]
Рис. 1. Монокристаллический, поликристаллический и аморфный элементы.
Солнечное теплоснабжение является наиболее освоенным. В основе таких систем лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в тепловую. Главным элементом этих устройств является плоский солнечный коллектор, поглощающий солнечные лучи с преобразованием их в тепловую энергию (рис.2).
Рис. 2. Наглядное представление работы солнечного коллектора
В мире очень быстро растет количество морских судов, использующих солнечные батареи или даже полностью работающих на основе солнечной энергетики. Ожидается, что к 2024 году этот сегмент рынка вырастет как минимум в три раза. Области применения солнечных батарей затрагивают не только прогулочные суда, но также и коммерческие, промышленные, военные и даже исследовательские рынки.
До сих пор самым большим судном на солнечной энергии является PlanetSolar, которое принадлежит швейцарской компании Race for Water. Его запуск состоялся в марте 2010 года. Это огромный корабль, весом 89 тонн, на верхней палубе которого установлены тысячи солнечных батарей общей мощностью 120 кВт. До этого в 2008 году самая большая японская судоходная компания «Nippon Oil Corp.» объявила, что солнечные батареи будут размещены на верхней палубе морского автомобилевоза. Судно «Auriga Leader», оснащенное солнечными батареями может вырабатывать до 40 кВт электроэнергии. [9]
Солнечную энергию можно использовать для питания каких-либо потребителей на судне, например, для зарядки аккумуляторных батарей, подогрева воды в котле, питания осветительных приборов различного типа и т. д. Судно использует солнечную энергию на стоянках. При заходе в порт судно швартуется, его дизель-генераторная установка останавливается, и оно полностью переходит на питание от солнечных батарей.
Однако, в случае с пассажирскими паромами, применяются солнечные паруса (рис.3). Они представляют собой крылья с возможностью вращения в двух проекциях как вручную, так и гидравлически, что позволяет использовать их как в режиме обычного паруса, так и в виде солнечных панелей, или же совмещать оба режима. [10] При таком интенсивном использовании солнечных батарей период их окупаемости резко сокращается за счёт экономии различных ресурсов судна. [11]
Рис. 3. Пассажирский паром с гибридными ветро-солнечными парусами.
В космонавтике Солнце еще давно рассмотрели, как самовосполняемый и доступный источник энергии, ведь самая важная задача, стоящая перед освоением космоса -- обеспечение энергией космические аппараты.
Первые спутники с солнечными панелями были отправлены в полет еще в 1958 году. Это были Vanguard-1 (США) и «Спутник-3» (СССР). Интересный факт, связанный с кораблем «Союз»: первые модели запускались с солнечными панелями, но на модификации 7К-Т их убрали, оставив только аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток. А со следующей модификации «-ТМ» солнечные панели снова вернули и уже насовсем. Важное условие для работы в космосе -- компактность солнечных панелей. Поэтому при транспортировке тонкие панели складываются гармошкой. До сих пор солнечные панели -- лучший вариант долговременного снабжения энергией космического аппарата. Однако, есть и недостатки, один из которых заключается в том, что на низкой околоземной орбите спутник будет регулярно уходить в тень Земли. Значит, панели необходимо дополнить аккумуляторами, чтобы электропитание было непрерывным. [12] На 2017 год для электропитания аппаратов на основе новой тяжелой спутниковой платформы высокой мощности налажено производство батарей площадью более 100 кв. м. До тех пор на отечественных телекоммуникационных космических аппаратах использовались панели размером не более 88 кв. м. Основой для развития стал российский аппарат платформы «Экспресс-2000», используемый более 5 лет. Нововведением стали увеличенные «крылья» -- солнечные батареи площадью около 112 кв. м. Они построены по современной технологии -- с КПД на уровне 28-30%. [13]
Это позволит намного увеличить мощность спутников и ретрансляторов, в связи с чем уменьшатся размеры переносных спутниковых терминалов, что даст возможность использовать такую связь в военное время. Облегченные модули связи позволят эффективнее управлять и корректировать направление беспилотников за счет обмена данными через спутники. Увеличенная мощность позволяет передавать больше данных или установить более стабильный канал связи, уменьшить размеры принимающего оборудования на земле.
Гелиоэнергетика является одним из самых перспективных направлений развития самовозобновляемых источников энергии. Количество производимой человеком энергии за год можно сопоставить с тем, что получает поверхность Земли за 10 минут солнечного излучения.
По оценкам некоторых специалистов, к 2100 году Солнце станет доминирующим источником энергии на планете, а аналитики международного энергетического агентства прогнозируют, что уже к 2050 году солнечная энергетика будет обеспечивать 20-25% мировых потребностей в электроэнергии. [14] Солнечная энергия безопасна в экологическом плане и достаточно практична, люди всё больше начинают задумываться о перспективах использования этого источника энергии, что сказывается на объеме продаж солнечных панелей, который каждый год увеличивается на 10-15%. С ростом востребованности данного вида энергетики будут устраняться главные недостатки -- количество солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, и стоимость оборудования. Проблема малого количества солнечного света решается повышением КПД солнечных панелей. Для этого проводятся поиски новых технологий создания фотоэлектрических элементов. Для обычных панелей повышение КПД достигается путем применения различных систем автоматического управления, которые позволяют отслеживать положение Солнца, поворачивая фотоэлектрический модуль в оптимальное положение, при котором будет достигаться максимально возможная энергетическая эффективность. самовозобновляемый гелиоэнергетика солнечный
В настоящее время эксплуатация солнечных батарей достаточно дорогостоящее дело. Необходимо продолжать поиски более экономичных способов и материалов для производства солнечных батарей с целью повышения их конкурентоспособности.
Использованные источники
1. Альтернативная энергетика: библиографический список литературы / Нац. б - ка Чуваш. Респ.; сост. Н.А. Арсентьева. Вып. 2. Чебоксары, 2014. С. 16.
2. Митина Н.Н., Крамарова Е.М., Дадаев С.С. Преимущественные виды альтернативных источников энергии в арктическом регионе России // Neftegaz.RU. 2020. №3,5.» [Электронный ресурс] URL: https://magazine.neftegaz.ru/
3. Иванова А.Ю. Альтернативные источники в энергетике: виды и принципы функционирования // International Scientific Review № 2 (12). [Электронный ресурс] URL: https://scientific-conference.com/
4. Официальный сайт Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» [Электронный ресурс] URL: http://www.rosatom.ru/
5. Копкова Е.С., Иманова Х.Г. Атомная энергетика России: современное состояние, проблемы и перспективы развития отрасли в условиях цифровой экономики. // Проблемы региональной экономики. 2018. №42. С. 3.
6. Шалухин В.Д. Краткий обзор состояния разработок и внедрения солнечных батарей в России // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. 2017. №7. С. 278.
7. Дыкус И.В. Солнечное излучение - альтернативный способ получения энергии // Точная наука. 2017. №10. С. 76.
8. Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель // Совет инженера [Электронный ресурс] URL: https://sovet-ingenera.com/
9. Первое в мире грузовое судно «AURIGA LEADER» на солнечных батареях // Корабельный портал [Электронный ресурс] URL: http://korabley.net/
10. Солнечная энергетика выходит в море // Rentechno [Электронный ресурс] URL: https://rentechno.ua/
11. Пичугин Д.Д., Чабанов Е.А. Использование солнечных батарей в качестве альтернативного источника энергии на водном транспорте // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Транспорт: проблемы, цели, перспективы» (TRANSPORT 2020). Пермь: Пермский филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Волжский государственный университет водного транспорта", 2020. С. 220.
12. Энергетика в космосе. Как заряжают корабли и спутники // N+1 [Электронный ресурс] URL: https://nplus1.ru/
13. Новые спутники получат рекордные «солнечные крылья» // МИЦ «Известия» [Электронный ресурс] URL: https://iz.ru/
14. Прокушева В.С., Хорхордин А.В. Адаптивная система управления промышленными солнечными батареями // Сборник научных трудов XIII Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов». Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2013. С. 275.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Использование ветрогенераторов, солнечных батарей и коллекторов, биогазовых реакторов для получения альтернативной энергии. Классификация видов нетрадиционных источников энергии: ветряные, геотермальные, солнечные, гидроэнергетические и биотопливные.
реферат [33,0 K], добавлен 31.07.2012Обзор развития современной энергетики и ее проблемы. Общая характеристика альтернативных источников получения энергии, возможности их применения, достоинства и недостатки. Разработки, применяемые в настоящее время для нетрадиционного получения энергии.
реферат [4,5 M], добавлен 29.03.2011Классификация альтернативных источников энергии. Возможности использования альтернативных источников энергии в России. Энергия ветра (ветровая энергетика). Малая гидроэнергетика, солнечная энергия. Использование энергии биомассы в энергетических целях.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 30.07.2012Изучение опыта использования возобновляемых источников энергии в разных странах. Анализ перспектив их массового использования в РФ. Основные преимущества возобновляемых альтернативных энергоносителей. Технические характеристики основных типов генераторов.
реферат [536,4 K], добавлен 07.05.2009Проблемы развития и существования энергетики. Типы альтернативных источников энергии и их развитие. Источники и способы использования геотермальной энергии. Принцип работы геотермальной электростанции. Общая принципиальная схема ГеоЭС и ее компоненты.
курсовая работа [419,7 K], добавлен 06.05.2016Классические источники энергии, их характеристика. Виды и уровень развития альтернативных источников энергии, их основные достоинства и недостатки. Абсолютная и относительная сила мышц человека. Обзор устройств, работающих на мускульной силе человека.
реферат [302,6 K], добавлен 24.06.2016Анализ действия и оценка перспектив использования альтернативных методов получения электрической энергии в России. Вклад в обеспечение государства электроэнергией гидроэлектростанций, ветроэнергетических установок, солнечных и приливных электростанций.
контрольная работа [55,9 K], добавлен 11.04.2010Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.
реферат [253,9 K], добавлен 30.05.2016Биогаз как газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Процесс производства биогаза, его достоинства и недостатки. Принцип работы биогазовой установки. Проблемы и перспективы использования альтернативных источников энергии в Украине.
реферат [401,5 K], добавлен 04.04.2013Индикаторы для оценки функционирования и основные принципы устойчивого развития в сфере электроэнергетики и использования альтернативных источников энергии. Характеристика развития электроэнергетики в Швеции и Литве, экосертификация электроэнергии.
практическая работа [104,2 K], добавлен 07.02.2013Использование возобновляемых источников энергии, их потенциал, виды. Применение геотермальных ресурсов; создание солнечных батарей; биотопливо. Энергия Мирового океана: волны, приливы и отливы. Экономическая эффективность использования энергии ветра.
реферат [3,0 M], добавлен 18.10.2013Основные виды альтернативной энергии. Биоэнергетика, энергия ветра, Солнца, приливов и отливов, океанов. Перспективные способы получения энергии. Совокупная мощность ветроэлектростанций Китая, Индии и США. Доля альтернативной энергетики в России.
презентация [1,1 M], добавлен 25.05.2016Сущность и краткая характеристика видов энергии. Особенности использования солнечной и водородной энергии. Основные достоинства геотермальной энергии. История изобретения "ошейника" А. Стреляемым, принцип его работы и потребления энергии роста растений.
презентация [911,5 K], добавлен 20.12.2009Обоснование экодома как жилища. Низкопотенциальная тепловая энергия. Первая солнечная батарея. Эффективность солнечных коллекторов. Климатическая характеристика Оренбургской области. Характеристика и расчёты солнечных батарей, ветряных генераторов.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 02.12.2014Общие сведения о солнце как источнике энергии. История открытия и использование энергии солнца. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Сущность и виды солнечных батарей. "За" и "против" использования солнечной энергии.
реферат [999,0 K], добавлен 22.12.2010Возобновление как преимущество альтернативных источников энергии. Энергетическая и сырьевая проблемы в России. Энергия солнца, ветра, приливов, глубинное тепло Земли, топливо из биомассы. Исследования в области применения биотоплива вместо нефти.
реферат [25,8 K], добавлен 05.01.2010Сущность и принципы ветроэнергетики как ее отдельной отрасли, специализирующейся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в другую форму энергии. География ее применения, а также основные закономерности работы оборудования.
презентация [2,1 M], добавлен 18.10.2015Источники экологически чистой и безопасной энергии. Исследование и разработка систем преобразования энергии солнца, ветра, подземных источников в электроэнергию. Сложные системы управления. Расчет мощности ветрогенератора и аккумуляторных батарей.
курсовая работа [524,6 K], добавлен 19.02.2016Создание институциональной базы в арабских странах. Инвестиционные возможности для развития возобновляемой энергетики. Стратегическое планирование развития возобновляемых источников энергии стран Ближнего Востока. Стратегии развития ядерной энергии.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 08.01.2017История открытия солнечной энергии. Принцип действия и свойства солнечных панелей. Типы батарей: маломощные, универсальные и панели солнечных элементов. Меры безопасности при эксплуатации и экономическая выгода применения солнечной системы отопления.
презентация [3,1 M], добавлен 13.05.2014
